南科大环境学院冯炼团队构建全球首个湖泊藻华数据库

近日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授冯炼课题组在Nature Geoscience发表题为“Global mapping reveals increase in lacustrinealgal blooms over the past decade”的论文。

该研究基于1982-2019年间约291万张Landsat影像，追溯了近40年全球248,243个湖泊（占全球湖泊面积的57.1%）的藻华爆发情况。研究表明，在过去40年，全球有21,878个湖泊遭受湖泊藻华问题的困扰。分析显示，全球各大洲（大洋洲除外）湖泊藻华爆发频率自2010年后明显增加，其中亚洲和非洲国家增加最明显，主要为一些发展中国家。论文相关的Landsat湖泊藻华结果数据及代码都已经公开（https://doi.org/10.1038/s41561-021-00887-x  ）。

随着人类活动加剧，大量营养盐输入湖泊，导致湖泊水体富营养化日趋严重，加之气候变暖，全球湖泊藻华日益频发，湖泊面临的严峻水环境问题不容忽视。然而，目前尚且缺乏对全球湖泊藻华整体时空格局的系统性评估。湖泊藻华爆发时，一些藻类（例如蓝藻）可通过气囊调整浮力来调节其在水中的位置，导致藻华分布在空间上呈现高度动态变化。风平浪静的条件下，藻类在水表面聚集，能够被卫星遥感影像准确捕捉。因此通过卫星遥感获取的藻华范围通常被认为比实地调查更可靠，目前卫星遥感已经成功应用于单个湖泊到国家尺度的湖泊群藻华监测研究中。

现有研究中，针对个别湖泊构建的藻华遥感监测算法（例如植被指数法）主要基于藻华在近红外波段处类似于植被的抬升信号。然而，由于湖泊水体存在非常大的时空异质性，此类算法无法满足全球尺度湖泊藻华研究的需求。针对该问题，研究团队首先从淡水湖泊藻华最基本的颜色（绿色）出发，基于CIE（Commission Internationale de L'Eclairage，国际照明委员会）颜色空间构建了适用于全球不同湖泊水体藻华的遥感自动判别算法。研究从全球已报道有藻华爆发的湖泊选取藻华样本数据，获取藻华样本的卫星数据的红绿蓝三波段反射率值。进而通过CIE xy颜色系统将红绿蓝三波段反射率值转换为CIE颜色空间中的绿色值，并构建绿色值的下边界作为藻华识别模型（图1）。当像元绿色值大于下边界值时（即水体更绿），即判定该像元为藻华像元。

图1 基于CIE颜色系统的藻华识别算法。（a）CIE颜色空间。（b）选取的藻华像元绿色值在CIE xy色度坐标中的密度分布图。（c）算法提取案例。

其次，考虑到陆地邻近效应会引起水体呈“绿色”、一些盐湖因矿物质浓度过高会呈“绿色”、以及湖中的“绿色”水生植被，均会影响该藻华识别模型的精度，研究团队采用了一系列掩膜处理以排除这些问题的干扰。

最后，研究团队将该藻华识别模型应用到1982-2019年约291万张Landsat影像，获取了全球248,243个面积大于0.1 km²的淡水湖泊的藻华爆发情况。研究湖泊总面积达1,671,592.8 km²，占全球湖泊总面积的57.1%。该研究统计了各个湖泊的藻华爆发频率（Bloomoccurrence，BO）及最大藻华爆发面积（Maximum bloom extent, MBE），追溯了过去近40年全球湖泊藻华爆发频率及最大藻华爆发面积的时空分布格局，将所有Landsat数据分三个时间段探讨过去近40年全球湖泊藻华爆发的长时序时空动态变化。

图2 全球65个国家的最大藻华面积（MBE，单位：km²）及藻华频率（BO, 单位：%）。其中黑色（灰色）箭头指向的10个国家分别对应最大藻华面积（藻华频率）排名前十的国家。

研究结果表明，过去近40年全球湖泊藻华爆发频率明显增加，尤其是在2010年，许多地区都出现了藻华频繁爆发（频率>10%）的情况。然而，藻华爆发范围与频率的变化分布并不均匀，许多亚洲和非洲国家的增幅最大（图2），而且这些国家多是发展中国家。因此，这些地区是未来开展管理和缓解藻华工作的重点关注区。此外，气候变化的影响也可能会抵消发达国家目前政策对水质恶化的缓解，表明未来需要更强的水质改善措施。

研究团队构建了第一个全面的全球藻华数据库，包括全球淡水湖泊藻华的时空分布，能为至少三个重要应用提供基准信息：（1）确定湖泊藻华的原因并预测其未来的发生趋势；(2) 为当地政府和环境机构制定预防和缓解政策；(3) 评估历史和未来藻类大量繁殖的生态、经济和社会影响。

南科大是论文第一单位，冯炼为唯一通讯作者，课题组高级研究学者侯雪姣为唯一第一作者，合作作者包括环境科学与工程学院讲席教授郑春苗、讲席教授刘俊国、教授郑一、副教授Luke Gibson等。本研究项目得到了国家自然科学基金、南方科技大学亮点项目等大力支持。

论文链接（复制链接至浏览器可访问）：https://www.nature.com/articles/s41561-021-00887-x 

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